princÍp. da ciÊncia e tec. dos materiais
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAISREVISÃO DAS AULAS 1 A 5
Professor: Iran AragãoProfessor: Iran Aragão
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
OBJETIVO DA AULA
Fazer uma breve revisão do conteúdo das aulas 1 a
5.
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
• Os materiais sólidos são freqüentemente
classificados em três grandes grupos principais:
• Materiais metálicos:
• Materiais cerâmicos:
• Materiais poliméricos ou plásticos:
CLASSIFICAÇÃO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
» Possuem elétrons livres;
» Bons condutores de eletricidade e calor;
» Não transparentes;
» Muito resistentes;
» Facilmente deformáveis e pesados.
METAIS
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REVISÃO AULAS 1 A 5
» Composições de elementos metálicos e
não metálicos;
» Normalmente isolantes;
» Duros e frágeis (quebradiços);
» Resistente a altas temperaturas
(refratários);
CERÂMICAS
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» Compostos orgânicos baseados em carbono,
hidrogênio e outros elementos não metálicos;
» Baixa condutividade elétrica;
» Tipicamente tem baixa densidade e podem ser
extremamente flexíveis
POLÍMEROS
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LIGAÇÕES QUÍMICAS
• Representam a união entre os átomos de um
mesmo elemento ou de elementos diferentes.
• Dependendo dos átomos que se unem, as
ligações podem ser iônicas, covalentes,
metálicas.
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Ligação iônica
• Resulta da atração entre cátions e ânions.• Todas as substâncias iônicas são sólidas.• Apresentam-se na forma de cristais.
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Covalente
• Elétrons sendo compartilhados com átomos
adjacentes;
• Esse tipo de ligação é comum em compostos
orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e
diamante.
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
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AS 14 REDES DE BRAVAIS
•Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais.
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• As redes cristalinas mais importantes:
Cúbica:
- Cúbica de corpo centrado (CCC);
- Cúbida de face centrada (CFC).
Hexagonal:
- Hexagonal compacta (HC).
REDES BRAVAIS
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REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos.
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• Fator de empacotamento atômico (APF= atomic
packing factor)
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
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REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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A temperaturas abaixo de 912° o Fe apresenta-se na forma alotrópica (CCC); Acima de 912° até 1394° (CFC); Acima de 1394° até 1538° (CCC). A alotropia do Fe é importante porque a forma alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2%, o que tem grande significado no tratamento térmico dos aços.
ALOTROPIA DO FERRO PURO
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• Tipos de deformações:
Elásticas: os átomos se afastam das posições
originais sem ocuparem novas posições. O
material retorna às suas dimensões originais,
quando é cessada o motivo da deformação.
Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material
não retorna às suas dimensões originais. Suas
dimensões originais ficam alteradas após cessar
o esforço externo.
DEFORMAÇÃO
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Tensão e deformação são suficientemente pequenas.
A constante de proporcionalidade entre tensão e deformação denomina-se LEI DE HOOKE.
S.I: Newton/metro (N/m)
)( Edeelásticidademódulodeformação
Tensão
ELASTICIDADE
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Curva Tensão () x Deformação ()
Região elástica
(MPa)
f
LR
LE
Região plástica
Deformação plástica uniforme
Deformação plástica não uniforme
Deformação plástica total
= E
LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)
LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)
E = Módulo de elasticidade
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Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Dúcteis
Quando uma grande deformação plástica ocorre entre o limite de elasticidade e o ponto de fratura, dizemos que esse material é DUCTIL.
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Calcule a deformação elástica que acontece em um
tirante que está submetido a uma força de tração de
10 000 N. O tirante tem seção circular constante
cujo diâmetro vale 5 mm, seu comprimento é 0,4 m
e seu material tem módulo de elasticidade valendo
2,1 x 105 N / mm2.
EXERCÍCIO
Δl = F . l / E . A F = 10000 ; E = 2,1 x 105
N/mm2 ;
l = 400mm
A = d2/4 = 3,14 x 52/4 = 19,625
mm2
l= (10000 x 400) /(210000 x 19,625)
Resposta: l= 0,97 mm
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EXERCÍCIO
= E . = E.L/L0 L = L0/E
E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104
MPa
Assim: L = 220 . 400/11.0 x 104 = 0.80 mm
Uma peça de cobre de 400 mm é tracionada com uma tensão de 220 MPa. Se a deformação é considerada totalmente elástica, qual será o alongamento da peça?
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DIAGRAMA FASES
Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)
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DIAGRAMA FASES
Diagrama de equilíbrio para
o cobre (puro), indicando as
condições – pressão e
temperatura, onde este
metal se encontra na fase
sólida, líquida ou vapor
(1 N/m2 = 9,868×10-6 atm;
Ponto de fusão aprox
1085°C)
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DIAGRAMA FASES
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O limite de solubilidade corresponde a
concentração máxima que se pode atingir de um
soluto dentro de um solvente.
O limite de solubilidade depende da temperatura.
Em geral, tendem a crescer juntos.
SOLUBILIDADE
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SISTEMAS BINÁRIOS (características)
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Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição.
Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO)Diagrama Cobre-Níquel
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Reação Eutética transformação imediata de fase líquida em fase sólida.
Nos sistemas eutéticos ocorre a reação, onde , durante a fusão, um líquido se transforma em dois sólidos e vice versa.
• Reação eutética: L (sólido 1 + sólido 2)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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Reação Eutetóide: sólido 1 (sólido 2 + sólido 3)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE)
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Encruamento do grão:
Forjamento: Processo de transformação de
metais por prensagem ou martelamento.
Laminação: Processo de deformação plástica
no qual o metal tem sua forma alterada ao
passar entre rolos em rotação. É o de maior
uso em função de sua alta produtividade e
precisão dimensional.
CONCEITOS DE GRÃOS
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ENCRUAMENTO DO GRÃO
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Aumento do grau de encruamento:
aumento limite de resistência;
diminuição da dutilidade do material, ficando
mais frágil e resistindo menos a esforços de
impacto
ENCRUAMENTO DO GRÃO
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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C
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Temperatura Formas do Ferro
Tamb – 912ºC Ferrita (α – Fe, CCC)
912ºC – 1394ºC Austenita ( – Fe, CFC)1294ºC – 1538ºC Delta Ferrita (δ – Fe,
CCC)
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
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Solubilidade do C no Fe
Na fase α Máximo de 0.022%Na fase Máximo de 2.11 %
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
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Cementita – Fe3C
Composto estável que se forma nas fases α e
quando a solubilidade máxima é excedida, até
6.7 wt%C.
É dura e quebradiça. A resistência de aços é
aumentada pela sua presença.
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C
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CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
• 0-0.008wt% C – Ferro Puro
• 0.008-2.11wt% C – Aços (na prática <1.0 wt%)
• 2.11-6.7wt% C – Ferros fundidos (na prática
<4.5wt%)
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Concentração Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide, toda a fase se transforma em perlita
(ferrita + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide.
Estas duas fases tem concentração de carbono
muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há
tempo para haver grande difusão de carbono
(0,77wt% C).
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
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Concentração Hipo-Eutetóide:
Inicialmente, temos apenas a fase . Em
seguida começa a surgir a fase α nas fronteiras de
grão da fase . A uma temperatura imediatamente
acima da eutética a fase α já cresceu, ocupando
completamente as fronteiras da fase . A
concentração da fase α é 0.22 wt%C. A
concentração da fase é 0.77 wt%C, eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hipo-Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide toda a fase se transforma em perlita
(ferrita eutetóide + Fe3C). A fase α, que não muda,
é denominada ferrita pro-eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hiper-Eutetóide:
Em seguida a fase começa a surgir a fase
Fe3C, nas fronteiras de grão da fase . A
Concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 wt
%C. A concentração da austenita cai com a
temperatura seguindo a linha que separa o campo
+ Fe3C do campo . A uma temperatura
imediatamente acima da eutetóide a
concentração da fase é 0.77 wt%C, eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hiper-Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide toda a fase se transforma em perlita.
A fase Fe3C, que não muda, é denominada
cementita pro-eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a) Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. e) Identifique as Linhas Solvus. f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a)Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn?
estanho puro 232o C e chumbo puro 320o Cb) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. e) Identifique as Linhas Solvus. f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
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Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus:
EXERCÍCIO
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REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %.
liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º.
17% – 30 % – 50 %R = 30 – 17 = 13S = 50 – 30 = 20
L = 20/33 = 0,6061 = 0,3939
αα
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: e) Identifique as Linhas Solvus.
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. Especificar a liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb, que uma liga com essa composição se comporta como uma substância pura, com um ponto definido de fusão, no caso 183o C. Esta é uma temperatura inferior a temperatura de fusão dos metais que compõem esta liga (estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C), o que justifica sua ampla utilização na soldagem de componentes eletrônicos, onde o excesso de aquecimento deve sempre ser evitado.
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Até a próxima aula!
Bom Estudo!
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